Planung, Durchführung und Auswertung einer Stratosphärenballonmission - Projektarbeit
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Projektarbeit
Planung, Durchführung und Auswertung einer
Stratosphärenballonmission
vorgelegt von:
Lars Klingenstein, Matr. Nr.: 2058095
betreut von:
Apl. Prof. Dr. Jens Sören Lange
Wintersemester 20/21
Justus-Liebig-Universität Gießen
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Planung des Ballons 4
2.1 Aufbau der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Troposphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Stratosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Mesosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Ozon in der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Benötigte Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Bau der Sonde 8
4 Verlauf der Stratosphärenballonmission 10
4.1 Vor dem Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3 Bergung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Auswertung 12
5.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2 Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.3 Luftdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.4 Ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.4.1 In der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.4.2 Im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6 Fazit und Ausblick 22
7 Quellen 23
2
Kapitel 1
Einleitung
Stellt man sich den Weltraum vor, kommt man wahrscheinlich schnell auf den Gedanken,
dass die Erforschung dieser unendlichen Weite alles andere als leicht ist. Und das stimmt.
Auch wenn mittlerweile Menschen auf dem Mond waren, es eine durchgehend bemann-
te Raumstation im Erdorbit gibt und schon menschengemachte Geräte die Oberflächen
anderer Planeten erforschen, ist die Raumfahrt insgesamt zeitaufwendig, verlangt viel
Know-How und kostet vor allem Geld. Werden diese Schwierigkeiten überwunden und
es ist eine Weltraummission finalisiert, ist das trotzdem keine Garantie, dass beim oder
während des Startes, oder auf dem Weg zur Erfüllung des Missionszieles alles nach Plan
funktioniert.
Eine wesentlich anfängerfreundlichere Methode um erste Schritte Richtung Weltraum
zu machen, ist die Expedition mit einem Stratosphärenballon (SB) in die Erdatmosphäre.
Sie ist kostengünstiger, in relativ kurzer Zeit realisierbar und kann auch von einer moti-
vierten Gruppe Amateurraumfahrern realisiert werden. Eine Mission mit einem SB kann
natürlich nicht mit typischen Satellitenmissionen verglichen werden. Ein durchschnitt-
licher Ballon erreicht eine maximale Steighöhe von ca. 30-40 Kilometern, professionelle
Varianten kommen auf Höhen an die 50 Kilometer [1]. Damit erreichen sie die 100 Kilo-
meter über dem Meeresspiegel liegende Kármán-Linie, die den Übergang zum Weltraum
markiert [2], nicht, was bedeutet, dass mit einem SB auch nicht die gleichen Daten gesam-
melt werden, bzw. Experimente durchgeführt werden können, wie mit einem Satelliten,
die die Erde in bis zu 36.000 Kilometern umrunden. Messbare Daten wie Luftdruck oder
Ozongehalt sind sehr interessant und für u. a. die Meteorologie überaus wichtig, um z.B.
Wetterprognosen abzugeben. Außerdem ist anzumerken, dass Daten der Stratosphäre ei-
gentlich ausschließlich mit Wetter-, bzw. Stratosphärenballons gemessen werden können,
da sie für Forschungsflugzeuge zu hoch und für Satelliten zu niedrig ist.
Im Zuge dieser Arbeit wird ein SB zur Messung von Temperatur, Luftdruck, Luft-
feuchtigkeit und Ozongehalt der Atmosphäre entwickelt und gestartet. Im Folgenden
werden zuerst die notwendigen Schritte zur Vorbereitung der Stratosphärenballonmissi-
on (SBM) erläutert. Dabei wird anfangs der Aufbau der Erdatmosphäre erläutert. An-
schließend werden die Ziele der SBM und wichtige Hardware für eine erfolgreiche Mission
genannt. Im Anschluss wird der Aufbau des Ballons grob umrissen, auf andere wichtige
Vorbereitungen wie zum Beispiel rechtliche Grundlagen soll in dieser Arbeit nicht ge-
nauer eingegangen werden. Danach wird der Ablauf der SBM beschrieben. Im Folgenden
werden die gesammelten Daten der SBM mit Schwerpunkt auf der Ozonmessung ausge-
wertet. Zum Schluss wird auf weitere Ozonmessungen eingegangen und der Erfolg der
SBM bewertet.
3
Kapitel 2
Planung des Ballons
Der erste Schritt bei der Planung einer SBM besteht darin, die Missionsziele zu definie-
ren. Da jede Mission anders ist, müssen vor Beginn einer jeder Mission die zu messenden
Daten und die dafür notwendige Hardware ausgewählt werden.
Hierzu ist es notwendig, dass im Vorhinein eine grobe Kenntnis vom Aufbau der
Erdatmosphäre besteht, um zu wissen, worauf bei der Hardwarewahl zu achten ist und
welche Ziele einer SBM überhaupt realistisch erreichbar sind.
2.1 Aufbau der Erdatmosphäre
Als Atmosphäre wird eine gasförmige Hülle um einen Planeten bezeichnet, die durch
dessen Gravitationskraft an ihn gebunden ist. Im Falle der Erde nennt man die Atmo-
sphäre auch Erdatmosphäre. Die trockene Erdatmosphäre besteht in den unteren 100
Kilometern aus:
Bestandteil Anteil in Volumen-%
Stickstoff 78,080
Sauerstoff 20,950
Argon 0,930
Kohlenstoffdioxid 0,034
Rest 0,006
Tabelle 2.1: Bestandteile der Erdatmosphäre [10]
Der genannte Rest setzt sich aus Spurengasen wie Helium, Neon, Wasserstoff und
Ozon (Anteil: 7 · 10−6 Vol-%) [10] zusammen. Die Atmosphäre wird anhand ihrer Tem-
peratur in fünf Schichten aufgeteilt. Da ein SB auf einer Höhe von ca. 36 Kilometern
seine Platzhöhe erreicht, kann bei einer SBM nur bis in die zweite Schicht vorgedrun-
gen werden. Deswegen werden im Folgenden nur die unteren, für eine SBM relevanten
Schichten näher vorgestellt. In Abb. 2.1 sind alle Schichten der Atmosphäre schematisch
dargestellt.
2.1.1 Troposphäre
Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre und erstreckt sich vom
Erdboden bis in eine Höhe von ca. 8 Kilometern an den Polen und 17 Kilometern am
Äquator. In dieser Schicht befindet sich der Großteil der Masse der Atmosphäre, also die
meiste Luft und der meiste Wasserdampf. Infolge der Erwärmung des Erdbodens durch
4die Sonne erwärmt sich auch die darüberliegende Luft und steigt auf. Beim Aufsteigen
kühlt die Luft ab und durchmischt sich mit anderen Luftmassen. Es stellt sich so ein
Temperaturgefälle von ca. 6,5 Grad Celsius pro Kilometer Höhe ein, sodass die Tropo-
pause, die Grenzschicht zur nächsthöheren Atmosphärenschicht, eine Temperatur von -50
Grad Celsius an den Polen und bis zu -80 Grad Celsius am Äquator erreicht. Durch den
hohen Wasserdampfgehalt und die ständigen Luftzirkulationen läuft in ihr der Großteil
des Wettergeschehens ab und es bilden sich z.B. Wolken und Winde [11, 12].
2.1.2 Stratosphäre
Die Stratosphäre grenzt an die Tropopause und reicht in eine Höhe von ca. 50 Kilo-
metern. In ihr steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe, jedoch langsamer, als sie
vorher in der Troposphäre gesunken ist. Dies liegt daran, dass das dort vorhandene Ozon
die ultraviolette (UV-) Strahlung der Sonne absorbiert und in Wärme umwandelt. Da-
durch werden gleichzeitig die Troposphäre und die Erdoberfläche vor einem Großteil der
schädlichen UV-Strahlung geschützt. So erreicht die obere Grenze der Stratosphäre, die
Stratopause, eine Temperatur von knapp unter null Grad Celsius. Wetterphänomene
lassen sich in der Stratosphäre kaum beobachten. Die Luft ist hier sehr viel trockener,
weil der Wasserdampf fast vollständig in der Troposphäre zu Wolken kondensiert ist und
es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturgradienten nur einen sehr geringen Stof-
faustausch zwischen Tropo- und Stratosphäre gibt. Somit ist die Stratosphäre auch viel
ruhiger und weniger turbulent als die Troposphäre [12, 13].
2.1.3 Mesosphäre
Die Mesosphäre kann in der SBM aufgrund ihrer Höhe von ca. 50 bis 80 Kilometern nicht
mehr erreicht werden. In ihr kommt es zu einer Abkühlung, die dadurch bedingt ist, dass
es hier fast kein Ozon mehr gibt, das die UV-Strahlung der Sonne absorbieren kann und
der Luftdruck extrem abgesunken ist. So erreicht das obere Ende der Mesosphäre, die
Mesopause, eine Temperatur von bis zu -90 Grad Celsius [12, 14].
Es bleibt festzuhalten, dass die Erdatmosphäre eine hochkomplexe Umgebung ist und
die unteren Schichten, die Tropo- und Stratosphäre, mit einer SBM erreichbar sind und
sehr interessante und aussagekräftige Messungen erlauben
Abbildung 2.1: Einzelne Schichten der Erdatmosphäre [19]
52.2 Ozon in der Erdatmosphäre
Wie schon erwähnt, besteht die Erdatmosphäre aus nur 7 · 10−6 Vol-% Ozon. Trotzdem
ist es ein wichtiger Bestandteil dieser, da es die Temperatur in der Stratosphäre und
den Anteil gefährlicher UV-Strahlung auf der Erde sehr stark beeinflusst. Das Ozon ist
vor allem in der sogenannten Ozonschicht in der unteren Stratosphäre konzentriert. Da
der Anteil des Ozons sehr gering ist, ist für die Messung ein sehr empfindlicher Sensor
erforderlich. Auf das Ozon in der Erdatmosphäre wird in Kap. 5.4 genauer eingegangen.
2.3 Ziele
Ziel der SBM ist es, grundlegende Parameter der Erdatmosphäre wie Temperatur, Luft-
druck und Luftfeuchtigkeit zu messen. Außerdem wird der Ozongehalt gemessen, um die
Lage der Ozonschicht zu bestimmen und den generellen Ozongehaltverlauf aufzuzeichnen.
Zusätzlich wird ein Experiment zum Nachweis hochenergetische Teilchen in der kosmi-
schen Strahlung durchgeführt. Die gemessenen Daten werden danach auf Korrelation
überprüft. Deswegen war es das Ziel, mit der SBM so hoch wie möglich zu steigen und
möglichst weit in die Stratosphäre einzudringen, damit dort Messungen zur Bestimmung
der Lage der Ozonschicht und zum Nachweis der Höhenstrahlung durchgeführt werden
können.
2.4 Benötigte Hardware
Die einzelnen Atmosphärenparameter lassen sich am besten mit Hilfe elektronischer Sen-
sorik messen. Hier besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten, da es viele verschiedene Sen-
soren für unterschiedliche Anforderungen frei zu kaufen gibt. Als Schnittstelle für die
Sensoren wird ein Arduino verwendet. Die Stromversorgung funktioniert hier über eine
9V Batterie. Als Sensor für Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur wird der GY-
BME280 von AZ-Delivery [4] verwendet, da dieser drei Parameter gleichzeitig messen
kann, Arduino-kompatibel ist und damit den Anforderungen entsprach. Am wichtigsten
war es, dass der Sensor sehr niedrige Temperaturen aushalten und diese messen kann, da
der untere Bereich der Atmosphäre kälter als -50 Grad Celsius sein kann. Um das Ozon
zu messen, wurde der Gravity: I2C Ozone Sensor von DFRobot [5] ausgewählt. Hier ist
eine Temperaturuntergrenze von nur -20 Grad Celsius angegeben, da kein anderer Sensor
mit einer niedrigeren Untergrenze gefunden wurde, wirde dieser trotzdem verwendet.
Um die gemessenen Daten zu speichern wird eines sog. Shield benötigt. Das Shield
wird auf den Arduino gesteckt und besitzt eine SD-Karten Schnittstelle und eine ein-
gebaute Uhr. Mit einem geeigneten Programm ist es dann möglich, die Sensorwerte in
einem bestimmten Zeitintervall abzufragen und mit Zeitstempel auf der SD-Karte zu
speichern. Das Programm wurde selbst geschrieben und so konzipiert, dass es alle fünf
Sekunden alle Messwerte in eine comma seperated values (.csv) Datei auf der SD-Karte
speichert. Diese muss nach Rückkehr des SB nur noch ausgewertet werden.
Auch den eigentlichen Ballon samt Zubehör wie Fallschirm und GPS-Tracker kann
online gekauft werden. Auf der Website https://www.stratoflights.com/ gibt es ein großes
Angebot an Wetterballons und Zubehör. Bei den Ballons gilt: je mehr Fassungsvermögen
(Volumen), desto größer die Steighöhe und desto schwerer darf das Payload sein. Als
Payload wird hier die gesamte Nutzlast des Ballons bezeichnet, also Sensorik und Elek-
tronik samt Behälter. Da eine möglichst hohe Steighöhe erreicht werden sollte, wurde
der Wetterballon 1600 ausgewählt, der ein Payload von bis zu 1,6 kg befördern und eine
6Steighöhe von bis zu 38 Kilometern erreichen kann. Da noch andere wichtige Kompo-
nenten gebraucht wurden, wurde ein Komplettpaket [6] gekauft, in dem der Ballon, ein
Fallschirm, ein GPS-Tracker, eine Kamera, ein Datenlogger und weiteres Zubehör ent-
halten ist.
Der Datenlogger misst neben Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Temperatur auch noch
die Höhe und die Position des Ballons, sowie die Temperatur im Inneren der Sonde. Dies
ermöglicht es, die gemessenen Daten in Abhängigkeit der Flughöhe darzustellen. Da die
Höhe mit einem Accelerometer bestimmt wird, wird gleichzeitig auch die Geschwindigkeit
des Ballons aufgezeichnet. Die somit doppelt erhobenen Daten können gut miteinander
verglichen werden und es gibt ein Backup, falls eines der Messgeräte, Datenlogger oder
Arduino, während des Fluges ausfallen sollte. Auch die Daten des Datenloggers werden
auf einer SD-Karte in einer .csv-Datei gespeichert. Er misst dabei in einem Intervall von
zwei Sekunden. Diese Daten können dann auf unterschiedliche Weisen ausgewertet wer-
den. Es ist auch möglich, die Datei auf https://www.stratoflights.com/ hochzuladen und
mit einem Tool [9] selbständig auswerten zu lassen.
Der GPS-Tracker basiert auf Mobilfunk und funktioniert, in dem man eine SIM-Karte
einlegt und anruft. Hat der Tracker Empfang, wird die genaue Position mit einer SMS
an den Anrufer zurückgesendet. Die Kamera hat keinen wissenschaftlichen Nutzen, do-
kumentiert jedoch den gesamten Flug und liefert spannendes Filmmaterial. Die Landung
ist hier besonders interessant, da untersucht werden kann, wie schnell und wo die Sonde
landet.
Zur Untersuchung der Höhenstrahlung werden beschichtete Glasplatten benutzt, die
ähnlich wie Fotofilm funktionieren. Trifft ein hochenergetisches Teilchen auf die Platte,
hinterlässt es eine Spur und kann so nachgewiesen werden. Die genaue Vorgehensweise
und theoretischen Hintergründe können in einer Arbeit von William Roster nachgelesen
werden. Die Auswertung der Platten ist noch nicht abgeschlossen.
7Kapitel 3
Bau der Sonde
Auch für den Bau der Sonde wurde sich an der Website https://www.stratoflights.com/
orientiert. Hier gibt es ausführliche Anleitungen und Videos, wie bei dem Zusammenbau
des Wetterballons bzw. des Payloads am besten vorzugehen ist. An diese Anleitung wur-
de sich größtenteils gehalten, weswegen der Aufbau hier nur grob beschrieben wird.
Als erstes wird die Sonde, also die Styroporbox mit allen Elektronikkomponenten,
vorbereitet. Dazu wird in den Boden der Box ein kleines Loch gebohrt, durch das der
Sensor des Datenloggers und der BME280 passt. Die Kabel führen durch das Loch ins
Innere der Box, wo der Arduino und der Datenlogger an der Sondeninnenseite fixiert sind.
Für die Kamera wird ein zweites Loch in die Seite der Sonde geschnitten, das gerade groß
genug ist, dass das Objektiv der Kamera hineinpasst. Es ist wichtig, dass die Löcher nur
so groß sind wie sie sein müssen und gründlich abgedichtet werden, damit die Sonde gut
isoliert ist. Nur so kann eine Temperatur gewährleistet werden, bei der die elektronischen
Komponenten zufriedenstellend funktionieren. Auch aus diesem Grund ist die Sonde aus
Styropor, das als gutes Dämmmaterial fungiert und leicht ist. Zusätzlich werden vor dem
Start zwei Taschenwärmer in die Sonde gelegt, die mit Sauerstoff reagieren und so Wär-
me erzeugen. Ein drittes Loch wird für den Ozonsensor in eine andere Wand gebohrt. Da
der Ozonsensor etwas empfindlicher gegenüber kälteren Temperaturen ist, wird er nicht
wie die anderen beiden Sensoren komplett außerhalb der Sonde angebracht, sondern nur
die eigentliche Messfläche der Umgebung ausgesetzt, sodass der Rest des Sensors in der
wärmeren Box bleibt. Stromversorgungen für Kamera, Arduino und Datenlogger werden
dann an der Innenseite fixiert. So auch der GPS-Tracker und die Fotoplatten.
(a) (b)
Abbildung 3.1: a: Bau der Sonde, gut zu sehen die Löcher für Sensoren und Kamera
b: Beladene Sonde kurz vor Start
8Um eine Rotation um die eigene Achse zu verhindern, werden mit zwei Holzspießen,
die quer durch die Sonde gestoßen werden, zwei Styroporflügel an gegenüberliegenden
Seiten der Sonde befestigt. Diese sind vertikal ausgerichtet, sodass sie beim Auf- und
Abstieg nicht stören. An den Deckel der Sonde wird eine spezielle Schnur befestigt, die
aus rechtlichen Gründen eine Reißlasst von unter 230 N besitzen muss. Nach ca. zehn
Metern Schnurlänge wird der Fallschirm an die Schnur geknotet, dann folgten weitere ca.
fünf Meter bis zum Ballon. Das Gespann ist deswegen so lang, damit falls sich der Ballon
bei der Landung in einem Baum verfängt, die Sonde 15 Meter tiefer hängt und leichter
zu bergen ist. Der Deckel der Sonde wird erst kurz vor Start, nachdem die Elektronik
angeschaltet wurde, auf die Box gelegt und sorgfältig festgeklebt. Als letztes wird der
aufgeblasene Ballon mit dem oberen losen Ende der Schnur verknotet.
9Kapitel 4
Verlauf der
Stratosphärenballonmission
Im Folgenden wird kurz der Verlauf der SBM beschrieben und auf ihre einzelnen Phasen
eingegangen.
4.1 Vor dem Start
Die Füllung des Ballons erfolgte mit Helium. Es ist wichtig, dass die richtige Menge
an Helium verwendet wird, damit zum einen die Auftriebskraft des Ballons reicht, da-
mit das Gespann vom Boden abhebt und eine ausreichende Aufstiegsgeschwindigkeit
besitzt, zum anderen jedoch die Menge an Helium nicht zu groß ist, da er dann bei ei-
ner geringeren Höhe platzten würde. Der Ballon dehnt sich mit steigender Höhe immer
weiter aus, da der Luftdruck der Atmosphäre mit größerer Höhe immer niedriger wird.
Ist in dem Ballon mehr Helium, ist sein Volumen größer und der Ballon muss sich we-
niger ausdehnen, also auch weniger hochsteigen, bevor er platzt. Die optimale Menge
Helium kann mit einem Heliumrechner [7] bestimmt werden, der auch auf der Website
https://www.stratoflights.com/ verfügbar ist. Nach Eingabe der erforderlichen Parameter
wird als Gesamtvolumen des Gases, sowie eine Angabe, wie viel Bar dieses Volumen in
einer Druckgasflasche entspricht ausgegeben. Kritisch ist hier vor allem die Masse des
Payloads. Addiert man die Masse des Payloads und Masse des Ballons erhält man die
sogenannte Traglast. Die Auftriebskraft des Ballons muss nun größer sein als die Ge-
wichtskraft der Traglast, damit ein Start möglich ist. Dies Bedingung ist schon bei ca.
2.300 Litern Helium erreicht. Nun resultiert die optimale Füllmenge aus einer Abwägung
zwischen Steiggeschwindigkeit und maximal zu erreichender Steighöhe. In diesem Fall
wurde als Ziel gesetzt, eine Höhe von 37 Kilometern zu erreichen. Das Payload wiegt
ungefähr 1160 Gramm. Somit mussten der Ballon laut Heliumrechner mit 3.652 Litern
Helium befüllt werden, dieser hat dann eine Steiggeschwindigkeit von 4, 69 ms . Wird da-
von ausgegangen, dass diese Geschwindigkeit konstant ist, kann die Zeit zum Platzen
berechnet werden. Diese ist sinnvoll zu wissen, um eine grobe Zeit abschätzen zu können,
wann der Ballon wieder auf der Erde landet und geborgen werden kann. Zu beachten ist,
dass diese ermittelten Werte nicht exakt sind, da die Erdatmosphäre ein sehr komplexes
System ist. Es wird also nur ein Richtwert vorgegeben.
Um eine einfache Bergung vorzubereiten ist es gut zu wissen, wo ungefähr der Ballon
landen wird. Der mitgeführte GPS-Empfänger basiert auf Mobilfunk und ist deswegen
in großen Höhen nicht erreichbar. Erst, wenn der Ballon wieder näher über dem Boden
oder gelandet ist, kann die Position des Ballons abgefragt werden. Eine Abschätzung der
ungefähren Landeposition wird mit einem Tool [8] auf der Website
10https://www.stratoflights.com/ ermittelt. Hier werden alle benötigten Parameter eingege-
ben, woraufhin eine Karte angezeigt wird, auf der die ungefähre Landeposition abgelesen
wird. Dafür werden aktuelle Wetterdaten genutzt. Wird kurz vor Start eine Vorhersage
berechnet, ist die vorhergesagte Position meistens sehr nah an der echten.
4.2 Start
Der Start des Ballons erfolgte am 7. November 2020 um ca. 9 Uhr auf dem Gelände
des Campus Naturwissenschaften der Justus-Liebig-Universität in Gießen. Nachdem alle
Startvorbereitungen getroffen waren, wurde der Ballon langsam und vorsichtig an der
Schnur hochgelassen. Der eigentliche Start erfolgte, als die Sonde am Ende der Schnur
losgelassen wurde. Leider war der Auftrieb des Ballons anfangs nicht groß genug, damit
er schnell an Höhe gewinnen, und so die umliegenden Gebäude passieren konnte, wo-
durch die Sonde mehrere Male gegen verschiedene Gebäude auf dem Campus gestoßen
ist. Obwohl sehr genau auf die Menge des abgefüllten Heliums geachtet und diese vor
dem Start mit dem Heliumrechner bestimmt wurde, schien diese nicht auszureichen, um
genug Auftrieb zu gewährleisten. Dies lag wahrscheinlich daran, dass beim Befüllen des
Ballons nicht die gesamte Menge des aus dem Schlauch strömenden Heliums in den Bal-
lon gelangte. Ein weiterer Grund könnte sein, dass der verwendete Druckminderer an der
Druckflasche undicht gewesen ist. Die Sonde konnte wieder eingefangen, der Ballon an
der Schnur heruntergezogen und der Ballon mit noch etwas mehr Helium befüllt werden.
Ein zweiter Start um ca. 10 Uhr klappte reibungslos.
4.3 Bergung
Im Vorhinein wurde ein Landeplatz in der Nähe von Siegen prognostiziert. Auf der Fahrt
dorthin wurde der GPS-Tracker kontaktiert, der daraufhin seine Position geschickt hat.
Er befand sich wirklich in der Nähe von Siegen in einer kleinen Gemeinde. Leider ist das
Gespann über einem Waldstück niedergegangen und der geplatzte Ballon hatte sich in
einem Baum verfangen. Trotz der 15 Meter langen Schnur zwischen Sonde und Ballon
hing die Sonde noch in einigen Metern Höhe und konnte nicht heruntergeholt werden.
Die freiwillige Feuerwehr der Gemeinde war hilfsbereit und hat die Sonde aus dem Baum
geborgen.
11Kapitel 5
Auswertung
Aus Aufzeichnungen der SD-Karte des Arduinos geht hervor, dass beim ersten Start des
Ballons ein Kabel zur Stromversorgung aus einer Halterung gerissen wurde, wodurch
beim Flug keine Messungen mit dem Arduino möglich waren. Zur Auswertung stehen
deswegen nur die Daten des Datenloggers, also Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luft-
druck. Die Ozondaten konnten nicht aufgenommen werden. Deswegen kann hier keine
Auswertung stattfinden, weswegen nur bekannte Ozondaten erläutert werden.
Die Platzhöhe des Ballons betrug 36.640,4 Meter. Damit wurde die als Ziel gesetzte
Steighöhe von 37 Kilometern knapp nicht erreicht. Diese Höhe reicht für die Auswertung
der Daten trotzdem aus.
Im Folgenden werden die gemessenen Daten von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und
Luftdruck bis zur unteren Stratosphäre ausgewertet und mit dem in Kap. 2.1 beschrie-
benen Modell verglichen.
5.1 Temperatur
Die gemessenen Temperaturdaten können verwendet werden, um den in 2.1 beschriebe-
nen Aufbau der Atmosphäre zu überprüfen. Hier wird nur die Temperatur beim Aufstieg
ausgewertet, der Temperaturerlauf beim Abstieg ist sehr ähnlich, jedoch immer um ca.
10-20°C nach unten verschoben. Man könnte denken, dass die niedrigere Temperatur
beim Herunterfallen durch die höhere Geschwindigkeit, also höhere Windgeschwindigkei-
ten, verursacht wird. Dieser Effekt wird Wind-Chill genannt. Dies ist hier jedoch nicht
der Fall, da Wind-Chill nur bei Objekten Auftritt, die durchgehend erwärmt werden und
wärmer als ihre Umgebung oder feucht sind. So zum Beispiel bei der menschlichen Haut,
wo der Wind-Chill spürbar ist. Elektrische Sensoren sind von diesem Effekt nicht betrof-
fen, da sie nicht wirklich erwärmt werden (nur geringe elektrische Spannungen) und in
der Regel die gleiche Temperatur wie die Umgebung haben. Feucht ist der Sensor wahr-
scheinlich auch nicht gewesen, da wie bei der Auswertung der Luftfeuchtigkeit später zu
sehen ist, die Luft in einer Höhe ab 10 Kilometern so gut wie trocken ist. Die Differenz
der Temperaturwerte existiert jedoch auch in einer größeren Höhe als 10 Kilometern.
Die niedrigere Temperatur kommt deswegen wahrscheinlich daher, dass der Ballon beim
Abstieg einen anderen Weg durch die Atmosphäre geflogen ist als beim Aufstieg und dort
andere Gegebenheiten herrschten.
In Abb. 5.1 ist gut sichtbardass die Temperatur bis zu einer Höhe von 12.900 Metern
sehr gleichmäßig sinkt. Dabei beträgt das Temperaturgefälle ca. -5,5 °C pro Kilometer
Höhe (beim Abstieg ca. -7,3 °C pro Kilometer). Die Temperatur in 12.900 Metern Höhe
1210
0
10
Temperatur T [°C]
20
30
40
50
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Höhe h über NN [m]
Abbildung 5.1: Gemessener Temperaturverlauf beim Aufstieg
beträgt ca. -48 °C. Diese Werte passen sehr gut zu den Charakteristika der Troposphäre
(s. Kap. 2.1.1), lediglich die Temperatur ist etwas zu hoch. Dies kann viele Gründe ha-
ben, z.B. tages- und tageszeitabhängige Phänomene wie Sonnenstand und Wolkendichte.
Beim Abstieg wurde auf gleicher Höhe eine Temperatur von ca. -57°C verzeichnet, was
noch besser in das beschriebene Modell der Atmosphäre passt.
Auch ist gut erkennbar, dass die Temperatur nach 12.900 Metern, also in der Strato-
sphäre, wieder langsam auf einen Wert von ca. -8°C in einer Höhe von 36.640,4 Metern
ansteigt. Auch dies passt sehr gut zu dem Modell der Stratosphäre (s. Kap.2.1.2). Wäre
der Ballon noch höher gestiegen, hätte man wahrscheinlich noch einen weiteren Tempe-
raturanstieg auf bis zu annähernd 0 °C beobachten können.
5.2 Luftfeuchtigkeit
Auch für den Plot der Luftfeuchtigkeit über die Höhe wird nur der Aufstieg betrachtet.
Hier werden nur die ersten 10 Kilometer Höhe geplottet, da danach ein konstanter Wert
von 0,4% gemessen wurde. Die Untergrenze des Luftfeuchtigkeitssensors ist als 0,0% an-
gegeben. Ich gehe davon aus, dass wegen Effekten wie z.B. Eis auf dem Sensor zu dieser
Zeit ein leicht abweichender Wert gemessen wird, der reale Wert aber bei unter 0,4% liegt.
1360
50
Luftfeuchtigkeit [%]
40
30
20
10
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
Höhe h über NN [m]
Abbildung 5.2: Gemessene Luftfeuchtigkeit beim Aufstieg
Abb. 5.2 zeigt sehr gut den generellen Trend, dass die Luftfeuchtigkeit mit der Höhe
abnimmt. Dies und der Fakt, dass ungefähr ab der Stratosphäre die Luftfeuchtigkeit
gleich 0% ist, stimmen ebenfalls sehr gut mit dem Modell der Atmosphäre überein. Der
Peak um die Höhe von ca. 4.400 Metern kommt wahrscheinlich dadurch zustande, dass
dort die Wolkendecke durchflogen wurde und deswegen die Luftfeuchtigkeit für einen
bestimmten Höhenbereich wieder merklich angestiegen ist. Auf dem Abstieg gibt es einen
ähnlichen Peak, der jedoch zwischen 5.500 und 8.000 Metern liegt. Dieser ist auch mit der
Durchquerung der Wolkendecke zu begründen, da Wolken auf unterschiedlichen Höhen
vorkommen.
5.3 Luftdruck
Sehr interessant ist die Auswertung der Daten für den Luftdruck, da es hier mit der
barometrischen Höhenformel ein relativ einfaches mathematisches Modell gibt, mit dem
der Luftdruck in Abhängigkeit von der Höhe berechnet wird. Wird der sehr vereinfachte
Fall angenommen, dass die Atmosphäre isotherm ist, lautet diese:
Mg
p(h) = p0 · e− RT h
mit dem Luftdruck auf Meereshöhe p0 , der mittleren molaren Masse M der Atmo-
sphäre, der Erdbeschleunigung g, der Gaskonstanten R und der mittleren Temperatur der
Atmosphäre T. Mit der Definition der Skalenhöhe hS = M RT
g vereinfacht sich die Formel
zu
14− hh
p(h) = p0 · e S
Somit folgt aus dem Modell eine exponentielle Abnahme des Druckes bei größerer
Höhe. Anzumerken ist hier, dass es sich um ein sehr vereinfachtes Modell handelt und
man je nach eingesetzter mittlerer Temperatur der Atmosphäre einen anderen Verlauf
erhält.
1000
800
Luftdruck p [hPa]
600
400
200
0
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Höhe h ü. NN [m]
Abbildung 5.3: Gemessener Luftdruck beim Aufstieg
In Abb. 5.3 ist zu sehen, dass auch die gemessenen Daten einen exponentiell abfal-
lenden Luftdruck repräsentieren. Mit einem selbstgeschriebenen Python-Programm habe
ich nun diese Kurve gefittet, um die Parameter p0 und hS herauszufinden.
Abb. 5.4 zeigt den Verlauf des Luftdrucks mit dem von mir ermittelten Best-Fit.
Die ermittelten Parameter des Fits sind:
p0 = 1074, 67 hPa
hS = 7283, 32 m
Normalerweise wird der Luftdruck auf Meereshöhe als p0,theo = 1 atm = 1013, 25 hPa
angegeben [15]. Es ist nicht zielführend, den Unterschied zwischen dem theoretischen
und dem ermittelten Wert für p0 mit physikalischen Phänomenen wie z.B. einem Hoch-
druckgebiet am Tag des Experiments zu erklären (diese erreichen auch gar nicht so hohe
Drücke), da bei genauer Betrachtung zu erkennen ist, dass der Fit bei sehr geringen
Höhen nicht mit den gemessenen Daten übereinstimmt, sondern höher ist. p0 spiegelt
15Data
1000 Fit
800
Luftdruck p [hPa]
600
400
200
0
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Höhe h ü. NN [m]
Abbildung 5.4: Gemessener Luftdruck beim Aufstieg mit Best-Fit
im Fit also nicht den tatsächlichen Luftdruck auf Meereshöhe wider, sondern ist nur ein
durch den Fit bedingter Parameter. Es wäre auch möglich gewesen, p0 im Fit auf den
tatsächlich gemessenen Wert von ca. 1015 hPa zu fixieren, um in Abhängigkeit davon die
Skalenhöhe herauszufinden.
Aus der Skalenhöhe kann die durchschnittliche Temperatur der unteren Atmosphäre
berechnet werden:
kg
RT Mg 0, 028964 mol · 9, 81 sm2
hS = ⇒ T = hS · = 7283, 32 m · J
= 248, 91 K = −24, 24 ◦ C
Mg R 8, 314 molK
Wird der Mittelwert aller gemessenen Temperaturen beim Aufstieg berechnet, er-
hält man T = −22 ◦ C, was ein sehr ähnlicher Wert ist. Dies ist nur möglich, weil die
Steiggeschwindigkeit des Ballons sehr konstant war. Die kleine Abweichung kommt da-
her zustande, dass der eingesetzte Wert für die Skalenhöhe über den Best-Fit bestimmt
wurde und nicht exakt ist. Außerdem ist der gemessene Verlauf des Luftdrucks keine ex-
akte e-Funktion, da ich sonst Werte für p0 und hS gefunden hätte, die den tatsächlichen
Verlauf 100%ig widergespiegelt hätten.
Das Modell der barometrischen Höhenformel kann noch beliebig erweitert werden,
indem z.B. Temperaturgradienten berücksichtigt werden. Dies soll hier jedoch nicht ge-
macht werden, da das Modell einer isothermen Atmosphäre augenscheinlich schon sehr
16gute und relativ genaue Ergebnisse liefert, wenn der Druck auf Meereshöhe und die
durchschnittliche Temperatur der Atmosphäre bekannt ist.
5.4 Ozon
In Kapitel 2.1 und 2.2 wurde die Rolle des Ozons in der Erdatmosphäre beschrieben.
Im Folgenden wird genauer auf das Ozon in der Erdatmosphäre eingegangen und er-
läutert, welche Daten hätten gemessen werden können. Im Anschluss wird eine weitere
Ozonmessung mittels Strahlungsquellen im Labor diskutiert.
5.4.1 In der Erdatmosphäre
Ozon ist ein natürlich vorkommendes Spurengas. Es besteht aus drei Sauerstoffatomen
und wird in Kurzform als O3 geschrieben. Normalerweise kommt Sauerstoff, wie viele
andere Gase auch, in Form von zwei gebunden Atomen vor. Deswegen muss Ozon erst
gebildet werden. Dies passiert auf natürliche Weise, indem sich ein einzelnes Sauerstoffa-
tom mit einem O2 Molekül verbindet. Das einzelne Sauerstoffatom kann auf unterschied-
liche Arten entstehen, wobei hier nur die in der Atmosphäre relevanten Prozesse genannt
werden.
In der Stratosphäre, wo die Ozonkonzentration am höchsten ist, entsteht es u.a. durch
Photolyse. Als Photolyse wird die Spaltung chemischer Bindungen durch elektromagne-
tische Strahlung, bzw. Licht bezeichnet. Hier muss die Energie des Photons ausreichen,
um die vorliegende Bindung aufzubrechen. Im Falle von der Bindung von O2 muss die
Wellenlänge kürzer als ca. 230 nm sein (UV-C Strahlung). Dann wird ein O2 Molekül in
zwei einzelne Sauerstoffatome gespalten.
O2 + Eγ (λ < 230 nm) → 2O
Ein viel größerer Anteil freier Sauerstoffatome entsteht jedoch durch die Photolyse
von Ozon selbst. Bei einer Wellenlänge von unter 310 nm (UV-C und -B Strahlung)
spaltet ein Photon ein Ozonmolekül:
O3 + Eγ (λ < 310 nm) → O2 + O
Dieser Prozess liefert deswegen viel mehr Sauerstoffatome, weil der Photonenfluss in
diesem Wellenlängenbereich, bedingt durch das elektromagnetische Spektrum der Sonne,
um mehrere Potenzen größer ist, als im Bereich unterhalb von 230 nm. Dies sind die
Reaktionen, die dafür sorgen, dass die Erdoberfläche von einem Großteil der gefährlichen
UV-Strahlung der Sonne abgeschirmt wird. Die Reaktionen sind Teil des sog. Ozon-
Sauerstoff-Zyklus, auch Chapman-Zyklus genannt. Zu diesem Zyklus gehören noch zwei
weitere Reaktionen zur Entstehung und zum Zerfall von Ozon [16]:
Entstehung:
O + O2 + M → O3 + M
M ist ein weiterer Stoßparameter, meistens O2 oder N2 , welcher überschüssige Energie
der Reaktion abführt.
Zerfall:
O + O3 → 2O2
17Diese vier Reaktionen des Chapman-Zyklus sind im Gleichgewicht, wenn zu jedem
Zeitpunkt gleich viel Ozon entsteht und zerfällt. Aus diesem Gleichgewicht resultiert je-
doch nicht immer die gleiche Ozonkonzentration, da diese z.B. davon abhängt, wie viele
Gasteilchen in einem Volumen zur Verfügung stehen und wie viele freie Sauerstoffatome
produziert werden können. Es ist bekannt, dass in einer größeren Höhe der Luftdruck
abnimmt. Somit sind dort weniger Sauerstoffmoleküle vorhanden, die durch Photolyse
gespalten werden können und dann zu Ozon kombinieren würden. In der unteren Schicht
der Stratosphäre ist der Luftdruck zwar viel höher, dort ist aber der limitierende Faktor,
dass nicht mehr genug energiereiche Strahlung in diese Bereiche vordringt, da schon ein
Großteil in höheren Schichten absorbiert wurde. Da die Absorption Wärme freisetzt und
die oberen Schichten der Stratosphäre am meisten Strahlung ausgesetzt sind, ist es dort
am wärmsten, mit sinkender Höhe sinkt die Temperatur (siehe auch Abb. 5.1), da weniger
Strahlung in Wärme umgewandelt wird. Vereint man diese Kenntnisse mit den Reaktio-
nen des Chapman-Zyklus, kann man eine Differentialgleichung, die die Ozonkonzentration
beschreibt, lösen und ein Konzentrationsprofil für die Erdatmosphäre voraussagen [16].
Abbildung 5.5: Verlauf des Ozongehalts in der unteren Atmosphäre [17]
Diese Voraussage wäre qualitativ sehr ähnlich, wie die in Abb. 5.5 dargestellte tat-
sächlich gemessene Häufigkeit. Hätte die Ozonmessung bei der SBM funktioniert, wären
wahrscheinlich ähnliche Ergebnisse gemessen worden. In Abb. 5.5 wird der Ozonpartial-
druck angegeben, der Sensor misst in parts per billion (ppb), erkennt also, wie viele von
einer Milliarde detektierten Teilchen Ozon sind. Dies macht jedoch keinen Unterschied
im Bezug auf die Konzentrationskurve.
Den Bereich, in dem die Ozonkonzentration in der Erdatmosphäre am höchsten ist,
nennt man Ozonschicht. Die Ozonschicht befindet sich je nach Definition, Jahreszeit und
geographischer Breite in einer Höhe von ca. 15 - 25 Kilometern in der unteren Hälfte
der Stratosphäre. Die Ozonschicht ist aufgrund ihrer strahlenschützenden Eigenschaft
18extrem wichtig für das Leben auf der Erde. Sinkt die Dicke der Ozonschicht auf weni-
ger als die Hälfte ihrer ursprünglichen Dicke, spricht man von einem Ozonloch. Dieser
Ozonabbau ist durch ozonabbauende Substanzen wie Chlor bedingt. Chlor und andere
Stoffe wirken als Katalysator bei der Zerstörung von Ozon, werden dabei selber also
nicht verbraucht. Es reicht schon eine kleine Menge von ozonabbauenden Stoffen in der
Atmosphäre, um die Ozonschicht zu gefährden. Chlor gelangte z.B. über Fluorchlorkoh-
lenwasserstoffe (FCKW) in die Atmosphäre, was letztendlich zu deren Verbot führte [18].
Außerdem kann in bodennahen Bereichen auch eine erhöhte Konzentration von Ozon
gemessen werden (s. Abb. 5.5). Dies ist dem sog. Sommersmog geschuldet, bei dem Ozon
gebildet wird. Die Erzeugung eines freien Sauerstoffatoms erfolgt allerdings als in der
Atmosphäre. Darauf soll hier nicht weiter eingegangen werden. Es ist aber durchaus
möglich, dass diese Ozonkonzentrationserhöhung in Bodennähe auch mit der SBM nach-
gewiesen worden wäre.
Es bleibt also festzuhalten, dass sehr aussagekräftige Ergebnisse mit der SBM hätten
erzielt werden können. Trotzdem kann aufgrund des bestehenden Wissens das komplexe
Geschehen in der Erdatmosphäre relativ gut nachvollzogen werden, und z.B. die direkte
Verbindung zwischen Ozongehalt und Temperatur erklärt werden.
5.4.2 Im Labor
Als Ausgleich für die nicht vorhandenen Ozonmesswerte wird untersucht, ob Ozon im La-
bor mit Hilfe von Strahlungsquellen erzeugt und nachgewiesen werden kann. Der Theorie
nach müsste die energiereiche Alpha- oder Betastrahlung den Sauerstoff in der Luft aus-
einanderbrechen, sodass dann die Möglichkeit besteht, dass das einzelne Sauerstoffatom
mit einem Sauerstoffmolekül wieder zu Ozon kombiniert. Es wurden zwei Messungen
aufgenommen. eine mit einer Alphaquelle und eine mit einer Betaquelle. Dabei wurden
die Quellen für eine gewisse Zeit mit dem Abstand d neben den Ozonsensor gehalten.
Als Alphaquelle fungierte das Americiumisotop 241 Am. Diese hat eine Aktivität
von 333 kBq. Die emittierten Alphateilchen werden durch wenige Centimeter Luft ab-
geschirmt, weswegen die Quelle sehr nah am Sensor positioniert wird.
Wie in Abb. 5.6 zu sehen, steigt der Ozongehalt in der Luft um ca. 25 ppb an, wenn
das 241 Am in einem Abstand von ca. einem Centimeter neben dem Sensor positioniert
wird. Wird der Abstand zum Sensor verringert, und die Quelle direkt auf diesen ge-
legt, steigt der Ozongehalt um weitere ca. 15 ppb an. Wird die Quelle entfernt, sinkt
der Ozongehalt relativ schnell auf 90 ppb ab. Es ist zu bemerken, dass der Sensor durch
seine extreme Genauigkeit schon sehr keine Unterschiede misst und z.B. Luftbewegungen
auch dazu führen, dass sich der ermittelte Ozongehalt ändert. Trotzdem scheint es einen
direkten Zusammenhang zwischen der Anwesenheit der Quelle und dem Ozongehalt zu
geben, was darauf schließen lässt, dass mit Hilfe von Alphateilchen tatsächlich Ozon er-
zeugt wird.
Die Betaquelle war in diesem Fall das Strontiumisotop 90 Sr mit einer Aktivität von
3 µCi, was 111 kBq entspricht. Die ausgesandten Elektronen haben in Luft eine relativ
große Reichweite von bis zu einigen Metern, weswegen hier nicht darauf geachtet werden
musste, dass sich die Quelle nah am Sensor befindet. Je größer jedoch der Abstand, desto
geringer ist die Dichte der emittierten Elektronen in der Umgebung.
In Abb. 5.7 ist zu sehen, dass der Ozongehalt beim ersten Heranführen der Quelle nicht
merklich steigt, sondern eher um einen Wert an die 90 ppb stagniert. Erst wenn die Quelle
19130 d = 1 cm
d = 0 cm
120
Ozongehalt [ppb]
110
100
90
0 100 200 300 400
Zeit t [s]
Abbildung 5.6: Verlauf des Ozongehalts in Luft mit einer Alphaquelle in der Nähe
komplett entfernt wird, sinkt der Ozongehalt auf ca. 46 ppb ab und steigt dann schnell
wieder an, wenn die Quelle erneut in die Nähe gebracht wird. Hier ist auffällig, dass es
für die Rate des Anstieges anscheinend nicht ausschlaggebend ist, in welcher Entfernung
sich die Quelle befindet, obwohl dies eigentlich einen Unterschied machen sollte. Zwar
steigt der Ozongehalt wieder auf fast 90 ppb, also auf den gleichen Wert, um den er bei
der ersten Messung stagniert ist, jedoch hätte die Messung hier noch länger durchgeführt
werden sollen, um zu untersuchen, ob der Ozongehalt noch weiter gestiegen wäre, oder
ob er sich wieder bei etwa 90 ppb eingependelt hätte. Wenn dies passiert wäre, könnte
mit einiger Sicherheit gesagt werden, dass sich das Gleichgewicht zwischen Ozonentste-
hung und Zerfall bei diesen 90 ppb befindet und damit unter dem Wert der benutzten
Alphaquelle liegt. Das könnte z.B. daran liegen, dass der geometrische Wirkungsquer-
schnitt des Stoßes bei Elektronen sehr viel kleiner ist als bei Alphateilchen und es somit
seltener zu einer Spaltung von Sauerstoffmolekülen kommt. Auch könnte es an der drei-
mal kleineren Aktivität der Betaquelle liegen.
Um solche Aussagen mit sicherer Wahrscheinlichkeit treffen zu können, sind die hier
vorliegenden Messdaten zu ungenau. Es hätte außerdem ein Referenzozonwert gemes-
sen werden müssen, also der Ozonwert ohne Anwesenheit einer Quelle, um eine bessere
Aussage über die Ozonentstehung treffen zu können. Dies war jedoch nicht der Anspruch
dieses Experimentes, da nur qualitativ untersucht werden sollte, ob mit einer Strahlungs-
quelle Ozon erzeugt werden kann. Dies kann anhand der Daten verifiziert werden und
es ist zu sehen, dass sowohl Beta- als auch Alphastrahlung in Luft Ozon erzeugen kön-
nen. Es wäre möglich, noch weitere Berechnungen anzustellen und mit den angegebenen
20d = 2 cm
90 d = 40 cm
d = 2 cm
80
Ozongehalt [ppb]
70
60
50
40
0 100 200 300 400 500 600
Zeit t [s]
Abbildung 5.7: Verlauf des Ozongehalts in Luft mit einer Betaquelle in der Nähe
Aktivitäten der Strahlungsquellen zu untersuchen, mit welcher Wahrscheinlichkeit es zur
Ozonerzeugung kommt, wenn der Anstieg des Ozongehalts pro Zeit bekannt ist. Dies soll
hier jedoch nicht weiter behandelt werden.
21Kapitel 6
Fazit und Ausblick
Rückblickend betrachtet ist die Stratosphärenballonmission trotz einer relativ kurzen
Vorbereitungszeit sehr erfolgreich verlaufen und hat interessante wissenschaftliche Daten
geliefert. Einzig der missglückte erste Start, der in einem Verlust der Ozonmessung re-
sultierte, ist etwas bedauerlich. Gemessene Daten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und
Luftdruck spiegeln das in Kap. 2.1 vorgestellte Modell der Erdatmosphäre sehr gut wi-
der. Der Druckverlauf konnte außerdem sehr gut mit dem Modell der barometrischen
Höhenformel verglichen werden. Obwohl keine experimentell ermittelten Ozondaten zur
Verfügung standen, konnte die Lage der Ozonschicht theoretisch begründet und ein Zu-
sammenhang zur Temperatur hergestellt werden. Außerdem war die Ozonmessung mittels
Strahlungsquellen erfolgreich, wobei hier in Zukunft noch weitere genauere Messungen
durchgeführt werden können.
Dies zeigt, dass eine Low-Budget Mission mit einem Stratosphärenballon sehr inter-
essante und wichtige Daten liefern und in nicht allzu langer Zeit erfolgreich durchgeführt
werden kann. Zurzeit wird deswegen ein weiterer Ballonflug geplant, bei dem neue Ex-
perimente durchführen werden sollen. Dabei wird zugleich auf die Ergebnisse der hier
behandelten Mission aufgebaut und gewonnene Erkenntnisse werden verwendet, um eine
reibungslose Vorbereitung und einen erfolgreichen Ablauf zu gewährleisten. Dabei ist es
vor allem darauf zu achten, dass der Ballon sorgfältig befüllt wird und vor dem Start
getestet wird, ob der vorhandene Auftrieb ausreicht. Außerdem muss auf eine sichere
Verbindung der elektronischen Komponenten geachtet werden. Sollten weitere Ozonmes-
sungen mit Strahlungsquellen durchgeführt werden, ist es wichtig, dass über einen län-
geren Zeitraum und ein Referenzwert des Ozongehalts ohne anwesende Strahlungsquelle
gemessen wird.
22Kapitel 7
Quellen
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hoehe-a-211145.html 13.01.2021
[2] https://www.nationalgeographic.com/science/article/where-is-the-edge-of-space-and-
what-is-the-karman-line 21.01.2021
[3] https://www.eskp.de/klimawandel/turmhohe-forschungsballons-messen-ozonschicht-935565/
13.01.2021
[4] https://www.az-delivery.de/products/gy-bme280description 08.03.2021
[5] https://www.dfrobot.com/product-2005.html 08.03.2021
[6] https://www.stratoflights.com/shop/wetterballon-komplettset/ 08.03.2021
[7] https://www.stratoflights.com/tutorial/helium-rechner/ 11.03.2021
[8] https://www.stratoflights.com/tutorial/flugroutenvorausberechnung/ 11.03.2021
[9] https://www.stratoflights.com/tutorial/datenlogger-auswertung/ 11.03.2021
[10] https://www.hlnug.de/themen/luft/allgemeines/zusammensetzung-der-luft 12.03.2021
[11] https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=102672lv3=102820
12.03.2021
[12] https://www.planet-wissen.de/natur/klima/erdatmosphaere/pwieaufbaudererdatmosphaere100.html
12.03.2021
[13] https://www.gerd-pfeffer.de/atm_strato.html 12.03.2021
[14] https://www.gerd-pfeffer.de/atm_meso.html 12.03.2021
[15] https://www.spektrum.de/lexikon/physik/normaldruck/10415: :text
Normaldruck%2C%20vereinbarter%20fester%20Gasdruck%2C
%20der,325%20Pa%20%3D%201%2C013%2025%20bar 14.03.2021
23[16] http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC2/Kap_II/Chapman-Mechanismus.htm 15.03.2021
[17] https://atmosphere.copernicus.eu/ozone-layer-and-ultra-violet-radiation 15.03.2021
[18] https://www.planet-wissen.de/natur/klima/klimawandel/ozon-106.html 15.03.2021
[19] https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Atmosph%C3%A4re_Stufen.svg 19.03.2021
24Sie können auch lesen
